Année Mondiale de l’Astronomie – 30 avril 2009 – Orsay
Mathieu Langer
Institut d’Astrophysique Spatiale
Histoire de l’Univers Histoire de l
Histoire de l ’ ’ Univers Univers
Un tour d'horizon de la cosmologie
Un tour d'horizon de la cosmologie
A l’aube de la Cosmologie moderne
• L’Univers est immuable et éternel
• Son étendue (univers visible) se résume à la Voie Lactée
• Possibilité envisagée d’autres « Univers – Iles » (cf. I. Kant, P.S. de Laplace)
Début du 20e siècle
Le Grand Débat : 1920
Shapley vs. Curtis
Le Grand Débat
• Shapley :
• Persuade que la Voie Lactée est grande (100 kpc)
• Place le Soleil en périphérie de la Voie Lactée
• En dehors de la Voie Lactée : rien !
• Curtis :
• Convaincu que la Voie Lactée est petite (10 kpc)
• Place le Soleil au centre de la Voie Lactée
• Certain que les « nébuleuses spirales » sont externes à la Voie Lactée
Citation de H. Shapley
« From the new point of view our galactic universe appears as a single, enormous, all-comprehending unit […] The adoption of such an arrangement leaves us with no evidence of a plurality of stellar
'universes'. […] The hypothesis that spiral nebulae are separate galactic systems now meets with further difficulties.» (1920)
Mais pendant ce temps, du côté de la théorie…
© John Carter, 2008
La Révolution Générale…
Variation de la courbure
de place en place Mesure des distances étant donnée la courbure R
en chaque point
Matière et énergie courbent l’espace
4
1 8
2
R R g G T
µ ν
−
µ ν= − π c
µ ν Die Feldgleichungen der Gravitation, 1915La Relativité Générale !
Application de la Relativité Générale à l’Univers entier : 1917
Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie
Einstein's theory of gravitation and its astronomical consequences. Third paper
Albert Einstein
Willem de Sitter
Univers plein de matière courbure induite
par la masse,
Constante Cosmologique pour le rendre statique!
Univers vide,
courbure non-nulle,
en expansion!!
E. P. Hubble, 1925, ApJ, 62 409N.G.C. 6822, A Remote Stellar System
Nébuleuses
=
Galaxies!
(1925)
CERRO TOLOLO INTER-AMERICAN OBSERVATORYP. Massey, G. Jacoby, K. Olsen, C. Smith & T.A. Rector, 2000
Messier 104 – « Galaxie du Sombrero »
NGC 4565
Messier 31 – « Galaxie d’Andromède »
Messier 109
La Voie Lactée (vue d’artiste)
E. P. Hubble, 1929, PNAS, 168, 73
A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae
V = K . D avec
K = 500 km/s/Mpc
Récession des galaxies
Interprétation : expansion de l’univers lui-même !
(Einstein, de Sitter, Friedmann, Lemaître, Milne, Robertson, Walker)
Notre connaissance de l’Univers…
Description de l’Univers
• Géométrie globale
• Dynamique de l’expansion
• Contenu physique
Géométrie de l’Univers
• Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker
( )
( )
2 2 2 2 2 2 2 2
( ) ( ) sin
ds = g dr drµν µ ν = dt − a t dq + fκ q d
θ
+θ ϕ
dsin sphérique
( ) plat
sinh hyperbolique q
f q q
q
κ
⇔
= ⇔
⇔
Dynamique de l’Univers
• Équations de Friedmann
– Expansion
– Accélération
( ) ( )
2
( ) 4
( ) 3 3
a t G p t
a t = − π ρ t + c
&&
2
( )
2 ( ) 8
( ) 3
a t G
H t
a t
π ρ
= =
&
(Univers euclidien)
• Évolution des distances :
0 0
1 1
( ) ( ) ( ) ( ) D t a t
D t = a t Facteur d’échelle : a(t)
Contenu de l’Univers
Comment fait-on pour savoir??
A partir du CMB, p. ex. …
Contenu de l’Univers
Le CMB en quelques mots…
expansion, temps, âge
• Rayonnement & matière en équilibre thermique
• Gaz ionisé
densité, T
• Rayonnement & matière vivent séparés
• Gaz neutre
expansion, temps, âge
CMB : dernière diffusion des photons primordiaux
380 000 ans
Planck
densité, T
Rayonnement & matière
en équilibre par couplage fort
Rayonnement & matière découplés, pas d’interaction
Penzias & Wilson (1965) Prix Nobel 1978
Première
détection !
Ce qu’auraient vu Penzias & Wilson s’ils avaient observé tout le ciel Interprétation cosmologique :
Dicke, Peebles, Roll, Wilkinson (1965)
Remarquable homogénéité!
Notre Galaxie
COsmic Background Explorer
COBE, 1991-1996 (Prix Nobel 2006: Smoot & Mather)
Première détection de fluctuations!
T = 2.728 K
T = 3.353 mK
T = 18 µK DMR 53 GHz
Le CMB : un corps noir “parfait”
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
Lancé juin 2001
Première carte fine-résolution (0.2 degrés)
-200 µK < T < 200 µK
CMB - Le satellite ultime : Planck
Résolution inégalée (0.08 degrés)
Mesurera clairement la polarisation
Lancement le 14 mai 2009 !
HFI : J.-L. Puget
LFI : N. Mandolesi
Kourou 26 février 2009
Mais revenons au CMB…
Le CMB et la géométrie de l’Univers
Données
(Boom., 1998)
Cartes simulées
Sphérique Plat Hyperbolique
Taille angulaire typique : 1o
0
( , ) ( , )
l
m lm l
l m l
T a Y
T θ ϕ ∞ + θ ϕ
= =−
∆ =
∑ ∑
2
l lm
C = a
~ TF ( ) ( ')
l
T T
C n n
T T
∆ ∆
r r
ï
180o
~
l θ
Analyse statistique
Le CMB et les dégénérescences
Lever les dégénérescences ?
Combinaison de données
indépendantes !
L’expansion de l’Univers en accélération !
Comment est-ce possible ?
1. Constante Cosmologique
2. Fluide de pression suffisamment négative (cf. « quintessence ») 3. Théorie de la gravitation incomplète (extensions de la RG)
4. Effet des structures (vs. homogénéité et isotropie)
( ) ( )
2
4 3
3
a G t
a c
t p
π ρ
= − +
&&
Comment distinguer… ?
(Sci.Am., Nov. 2006)
Entre le CMB et l’accélération : la formation des structures
CMB
Réionisation Ages Sombres
Premières étoiles
Premières galaxies
Formation des structures : instabilité gravitationnelle
Fluide :
• Conservation de la masse
• Conservation de l’impulsion
• Equation de Poisson
Surdensités : Expansion : a(t)
( )
r t, ρ( )
r t, ρδ ρ
= − r r
(
2 2 2)
2 4 /
k k s k
a G c k a
δ
+ a&δ
=π ρ
−δ
&& &
3/ 2 1/ 2 J
5 3
M M kT 4
Gm πρ
> =
gravité vs. pression
> J effondrement
< J oscillations k ~ 1/
Effondrement si
Formation des structures : la gravité en action
Simulations N-corps Matière noire seule
43 Mpc
(Kravtsov& Klypin)
Millennium Run
qqs Gpc 10 kpc
• plus de 10 milliards de « particules »
• boîte cubique de côté 2 milliards d’années-lumière
• évolution de la distribution de matière noire
Distribution observée des galaxies
Sloan Digital Sky Survey
Dernières données : 930,000 galaxies
< 5.7 milliards d’années-lumière
Effondrement gravitationnel : OK
Et le gaz dans tout ça?
Importance :
1. propriétés des premières étoiles
2. formation des premières galaxies
Réionisation et premières étoiles
CMB Réionisation
Univers neutre
Premières étoiles
Univers ionisé
La réionisation cosmique par les premières sources lumineuses
(Ritzerveld, Van de Weijgaert, Icke) 100 Mpc
= 21 cm
Détection de l’hydrogène neutre?
La mécanique quantique à la rescousse!
Spins anti-parallèles Etat fondamental
Spins parallèles Etat excité
Expansion & décalage spectral tomographie cosmique!
Ex: =1420.4 MHz
obs=160 MHz z ~ 8.9
( 565 millions d’années)
0 em
em obs
1 ( )
( ) z a t
a t
ν
+ = = ν
G. Mellema (2006)
• 100 Antennes Basses Fréq.
• Optimisées pour 30-80 MHz Grands Relevés, magnétisme…
Antennes Basses Fréquences
Antennes Hautes Fréquences
Interférométrie radio : LOFAR
• 100 pavés Hautes Fréq.
• Pavé : 4x4 antennes
• Optimisées pour 115-240 MHz Réionisation
LOFAR Europe
Actuellement (?):
Allemagne ~ 12 stations Royaume Uni ~ 2-3 stations
Italie ~ 2 stations France ~ 1-2 stations
etc.
Expansion européenne…
(NASA / NSF)
Propriétés des premières étoiles : enjeux?
z = 17.5 15.5 13.7
FMI «lourde»FMI «classique»
0 5
5 10
10 15
15 0
Densitéde gaz neutre (cm -3)
Réionisation vs. nature des sources
(Ciardi et al. 2001)
Formation des galaxies : compréhension fine ?
Messier 64
Formation des galaxies :
refroidissement, instabilités, fragmentation du gaz, turbulence…
T. H. Greif et al., 2008, MNRAS, 387, 1021
150 kpc
Température du gaz (103 – 104 K)
Filaments!
Halos extérieurs sites de formation
d’étoiles!
Infrarouge lointain à submillimétrique 60 microns - 0.67 mm
Miroir : 3.5 mètres en une seule pièce!
Lancement le 14 mai 2009!
Lancement prévu
2013
Infrarouge proche à infrarouge moyen
(0.6 - 28 microns)
Miroir : 6.5 mètres en 18 segments
Et avant le CMB?
10
13fois plus
haute énergie
qu’au LHC!
Inflation ondes gravitationnelles B – polarisation du CMB
© Zaldarriaga, 1997
Mode « E » (irrotationnel) Mode « B » (sans divergence)
